青岛地区一次冷涡槽前强对流天气过程分析
Analysis of the Process of Strong Convective Weather in the Background of Cold Vortex in Qingdao

作者: 宫明晓 * , 李 华 :青岛市即墨区气象局,山东 青岛; 马 艳 :青岛市气象局,山东 青岛;

关键词: 冷涡强对流云顶黑体亮温Cold Vortex Strong Convection Black-Body Temperature

摘要:
利用多普勒天气雷达、FNL、ECMWF及FY-2F静止卫星等数据,对发生在山东的一次冷涡背景下的短时强降水伴随冰雹的强对流天气过程进行了详细的分析。深厚冷涡槽前的强上升气流,高层急流造成的强垂直风切变以及地面辐合线配合为此次强对流天气提供了十分有利的动力条件。雷达上可见回波悬垂,有界弱回波区,中气旋,入流缺口等指示强风暴的特征,标志此次强对流发展十分旺盛,有利于强降水及冰雹的发生。另外卫星云顶黑体亮温(TBB)对短时强降水有很好的指示意义,降水量与TBB成很好的负相关关系,同时TBB梯度大值区对应降水大值站点,强降水出现在TBB突降之后,TBB突升之后降水趋于停止。

Abstract: The data of Doppler weather radar and FY-2F geostationary satellites, FNL and ECMWF reanalysis data are used to analyze the strong convective weather process in the background of a cold vortex in Shandong. The strong vertical airflow before the deep cold vortex, the strong vertical wind shear caused by the high-level jet and the ground convergence line provide a very favorable condition for the strong convective weather. Radar echo can also be found on the echo overhanging, bounded weak echo area, the cyclone,
into the gap and other signs of strong storm echo characteristics; marking the strong convection development is very strong. Black-Body Temperature (TBB) has a good guiding significance for short-term heavy precipitation. The TBB gradient large area corresponds to the large precipitation site, and the heavy rainfall usually occurs after the TBB suddenly drops, and the precipitation stops after TBB rises.

1. 引言

高空冷涡是引起山东等华北地区强对流天气的主要影响系统之一。研究 [1] - [6] 表明,冷涡强对流天气一般发生在冷涡外围东南或者西南象限,且常伴有大风、冰雹、短时强降水等天气。近年来,学者们对冷涡产生的强对流天气进行了大量的研究。郑媛媛等 [1] 对安徽省不同类型的大尺度环流背景下强对流的预报进行了研究和总结,分析了冷涡槽后型和冷涡槽前型强对流发生的大尺度环境背景特征,建立了冷涡槽后和槽前型强对流概念模型,对安徽地区的强对流预报起到一定的参考价值,同时冷涡背景下的强对流也是山东地区强对流的一种常见形势,因而对山东地区强对流的预报预警也有一定的指示意义。曹钢锋 [2] 在对高空冷涡结构的研究中发现,冷涡东南象限为正涡度的大值区,伴随明显的冷平流,更容易产生强对流天气。近年来随着多普勒天气雷达、气象卫星、风廓线仪等探测手段的快速发展和不断更新,在强对流的短时预报和监测预警上起到了重要作用,有效地提高了短临时段的预报预警能力。蓝渝等 [3] 利用FY-2E静止卫星资料分析了华北地区27个冰雹强天气个例,对华北地区的冰雹天气过程进行系统地分型和云系特征总结,统计了冰雹发生时刻对流亮温的特征,为华北地区的冰雹预报预警提供参考。另外,董海鹰等 [4] 、李云静等 [5] 、王兆华等 [6] 利用雷达、卫星等资料对冷涡背景下的强对流天气进行了分析,可以看出雷达、卫星及风廓线等资料对强对流的短临预报有很好的指示作用。

2016年6月14日下午到夜间山东出现了一次大范围雷雨大风天气,鲁西北的大部和鲁中、鲁南和半岛部分地区出现短时强降水,雷雨时阵风8~9级,部分地区伴有冰雹,冰雹直径达20 mm。根据山东省民政厅统计,灾情涉及全省8个市、35个县(市、区)的143个乡镇,受灾人口54.89万人。农作物受灾面积41.6千公顷,倒塌房屋5间,严重损坏房屋15间,一般损坏房屋777间。这场灾害造成的直接经济损失已达3.99亿元。此次过程瞬时极大风速为25.3 m/s,出现在潍坊青州王坟镇。最大小时雨强为65.6 mm出现在潍坊红沙沟,出现在18~19时(北京时,下同)。其中青岛地区的强对流主要发生在20~22时,青岛市区、黄岛区、崂山区、城阳区、即墨市、胶州市发生大面积的短时强降水,胶州铺集镇出现暴雨和冰雹,最大雨强出现在铺集镇20~21时,小时雨强达到62.7 mm。

此次过程是发生在冷涡槽前的一次强对流天气,本文利用FNL、ECMWF资料,重点分析冷涡背景下大尺度环流系统对此次中尺度对流的影响,并利用雷达、卫星等非常规资料对强对流天气的发展过程进行详细剖析。

2. 天气形势分析

由天气形势(图1)看出,14日08时500 hPa华北地区受冷涡控制,深厚的低涡一直伸展到850 hPa。到20时山东仍处于高空冷涡槽前,500 hPa、700 hPa、850 hPa三层槽线位置几乎重合,有利于对流上升运动的发展。高层200 hPa上存在急流,急流中心风速达到56 m/s,上下层存在强烈的垂直风切变。同时20时500 hPa山东处于冷槽控制,而下层则为暖脊控制,中层干冷空气入侵,有利于对流发展。地面上,向东南移动的黄河气旋不断加深,20时,中心位于山东、江苏、安徽三省交界处。一条西南–东北向中尺度辐合线横穿整个山东省,与高空急流形成低空辐合高空辐散的配置,有利于上升运动的发展。23时,倒槽移到青岛以南海上。此时的高空形势是典型的高空冷涡槽前类强对流环境流场配置,符合郑暖暖等 [1] 和蓝渝等 [2] 提出的冷涡槽前型强对流概念模型,即高空存在深厚的低涡结构,高层存在急流,中层冷槽控制,低层槽前暖脊发展,形成自南向北的暖湿平流,并伴有地面辐合线发展。深厚低槽前部的上升气流为强对流的发展提供了有利的条件,同时中层干冷空气的影响,会形成强的不稳定层结,有利于对流系统的发展加强和维持。

(a) (b) (c) (d)

Figure 1. Analysis of the high-altitude and ground conditions at 20:00 on June 14, 2016 (a. 500 hPa, b. 700 hPa, c. 850 hPa, d. surface)

图1. 2016年6月14日20时高空和地面天气图(a. 500 hPa,b. 700 hPa,c. 850 hPa,d. 地面)

3. 强对流天气条件分析

3.1. 水汽条件

通过2016年6月14日下午925 hPa水汽通量散度变化可以看出,14时(图2(a))山东地区主要受西南风控制,在山东与河北交界处存在一个中心为−0.7 × 10−6 g/m2·hPa·s的水汽辐合区。到20时(图2(b))西南风不断增强,辐合线南压,山东东南部风速辐合不断增强。水汽在山东东南部地区不断积累,形成了一个−1.2 × 10−6 g/m2·hPa·s的水汽辐合大值中心。可以看出从14时到20时受低层辐合线的影响,水汽不断在山东东南部沿海地区聚集,为强对流天气短时强降水等的发生发展提供了有利的水汽条件。

Figure 2. Water vapor flux divergence and wind on 925 hPa at 14:00 (a) and 20:00 (b) on June 14, 2016

图2. 2016年6月14日14时(a)和20时(b) 925 hPa水汽通量散度和风场

3.2. 垂直运动条件

从垂直速度和相对湿度纬向剖面图上可以看出,从下午14时(图3(a))开始沿36.5˚N (胶州附近)经向上为明显的上干下湿结构,14时垂直速度中心区位于118˚E,垂直速度中心在500 hPa附近,中心值达到−0.6 m/s,此时青岛地区(120˚E左右)低层有弱的上升运动,700 hPa以上为下沉运动。20时(图3(b)),山东地区的垂直上升运动强烈发展,从118~124˚E整层皆为垂直上升运动,上升速度中心东移到122˚E上空500 hPa处,最大上升速度达到−1.2 m/s,剧烈的上升运动导致了强对流发生。并且到20时,低层相对湿度明显比14时有所增强,14时低层相对湿度主要在90%以下,大于90%的区域主要集中在121˚E以东,而到20时700 hPa以下绝大部分地区相对湿度都超过80%,并且在120˚E附近大片区域相对湿度达到90%以上,中心值高达100%,水汽主要集中在700 hPa以下,上干下湿的水汽分布有利于强降水等强对流天气的发生。

(a) (b)

Figure 3. Longitudinal velocities (contours) and relative humidity (filled maps) at 14:00 (a) and 20:00 (b) 36.5˚N on June 14, 2016

图3. 2016年6月14日14时(a)和20时(b) 36.5˚N的垂直速度(等值线)和相对湿度(填色图)的经向剖面图

3.3. 大气层结条件

分析14日08时章丘探空图(图4(a))可以看出,08时cape值为52 J/kg能量已开始积累,从风的垂直分布看,850 hPa以下为西南风,700 hPa转为西北风,400 hPa又逆转为偏西风,表明低层有暖平流,高层有冷平流。形成上暖下冷的不稳定结构,且风速垂直切变较大,湿层较厚,这些都有利于对流的发生和发展加强。从青岛探空图看,08时(图略)和20时(图4(b))对流层高层西南风都很大,低层风向随高度顺时针旋转,有暖平流,同时500 hPa有干冷空气入侵,有利于不稳定层结的形成和加强。从表1中可以看出08时到20时K指数由26℃增至35℃,SI指数由4.54℃降到−5.21℃,850 hPa和500 hPa温差升到30℃,可见青岛上空对流不稳定能量迅速发展和积累。同时20时青岛上空低层为东南风,850 hPa转为西南风,随着高度升高,风向逐渐顺时针旋转,而500 hPa高度处风向接近西风,风向顺时针旋转了将近90˚。并且风速也由低层的10 m/s增加到20 m/s。再往上风速继续增大,到200 hPa风速增至48 m/s。20时青岛地区0~3 km垂直风切变由08时的12.3 s−1增至19.2 s−1,0~6 km垂直风切变由08时的18.5 s−1增至25.2 s−1,强烈的垂直风切变及不稳定能量的不断累积对强降水和冰雹等强对流天气的发生十分有利。

(a) (b)

Figure 4. Qingdao Station (54857) sounding data map at 08:00 (a) and 20:00 (b) on June 14, 2016

图4. 2016年6月14日08时章丘站(54727) (a)和20时青岛站(54857) (b)探空资料图

Table 1. Atmospheric stability index at 14:00 (a) and 20:00 (b) 36.5˚N on June 14, 2016

表1. 2016年6月14日08时和20时青岛站(54857)大气稳定度指数

4. 雷达探测分析

2016年6月14日下午15时在山东济阳境内产生局地对流,随后回波自西北向东南不断移动发展,其后不断有小的对流单体产生,17时50分(图5(a))对流发展为水平尺度约为100 km,最大反射率超过65 dBZ的中尺度对流系统。18时47分(图5(b))反射率因子由低到高向前侧入流一侧倾斜,出现弱回波区(图略)。19时27分(图5(c))对流风暴右后端出现钩状回波结构,垂直剖面图上出现弱回波区和回波悬垂(图6(a)),对应中低层速度图上出现明显的中气旋。20时02分(图5(d)),风暴移动方向左前侧出现明显的“V”型入流缺口,入流缺口正好对应中气旋所在的位置。

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

Figure 5. Reflectivity factor at 17:50 (a) 18:47 (b) 19:27 (c) 20:02 (d) 20:30 (e) 21:05 (f) on June 14, 2016

图5. 青岛雷达站2016年6月14日1.5˚仰角反射率因子(a. 17:50,b. 18:47,c. 19:27,d. 20:02,e. 20:30,f. 21:05)

(a) (b)

Figure 6. Sectional view at 20:13 (a)和20:36 (b) on June 14, 2016

图6. 青岛雷达站2016年6月14日20:13 (a)和20:36 (b)剖面图

20时30分(图5(e))风暴位于高密境内并开始移入胶州境内影响青岛地区。此时对流发展旺盛,回波层顶发展到14 km (图7(a)),大于65 dBZ的反射率因子发展到6 km,高层回波反射率明显强于低层。(图6(b))是沿低层入流缺口方向通过对流单体中心的反射率因子垂直剖面,可以看出,剖面上存在明显的回波悬垂结构,同时高层回波层顶位于地面入流缺口的弱回波区域,有明显的有界弱回波区结构和左侧回波墙,有界弱回波区的水平尺度9~10 km。大约60 dBZ的强反射率因子从9 km高度处一直扩展到低层,最强的区域位于回波墙,值超过70 dBZ,回波接地是出现强降水的典型特征。同时速度场上存在一个明显的中气旋(图7(d)),1.5˚仰角旋转速度达到20 m/s,这些特征都表明此时雷暴发展旺盛,同时胶州普集镇地区垂直累计液态水含量VIL (图7(b))由前一个体扫的35 kg/m2跃增为70 kg/m2,远大于刁秀广等 [7] 统计山东地区发生强冰雹的VIL最大值的平均值55 kg/m2。Amburn and Wolf [8] 的研究指出如果VIL密度(即VIL与风暴顶高度之比)超过4 g/m3,则风暴几乎肯定会产生直径超过2 cm的大冰雹。该个例中VIL密度大于5 g/m3,对应胶州铺集镇出现短时强降水天气并伴有冰雹天气,20时30分~21时00分半小时雨量达到62.7 mm。21时05分(图5(f))入流缺口消失,速度图上的中气旋也消失,对流开始减弱。

Figure 7. Radar product echo top height (a) vertical cumulative liquid water content (b) combined reflectivity (c) radial velocity (d) at 20:30 on June 14, 2016

图7. 青岛雷达站2016年6月14日20:30雷达产品(a. 回波顶高,b. 垂直累计液态水含量,c. 组合反射率,d. 径向速度)

5. FY-2F卫星资料分析

云顶黑体亮温(TBB)是指示对流强弱的有效参考指标,云顶亮温越低,表明云顶越高,对流活动越强烈 [9] [10] [11] [12]。研究表明云顶亮温(TBB)的大小及变化对短时强降水的预报具有很好的指示意义,TBB能够较好的展现强降水的落区与强度的变化,并且TBB的梯度变化与强降水的演变有明显的对应关系。TBB梯度突降时,降水也随之加强,突升时,降水随之减弱 [13]。将最小TBB值与全省总降水量和小时最大降水量分别进行对比分析,发现TBB与两者都有很好的负相关关系。当TBB不断降低时,总降水量和小时最大降水量不断增加,而当TBB升高时,降水量又迅速开始减少。

本文利用FY-2F静止卫星的1 h平均云顶黑体亮温资料与大监站及区域自动站的逐时降水量资料进行对比分析。图8为山东降水量大于10 mm的站点分布与TBB对比图,可以明显的看出降水量大于10 mm的站点几乎全部分布在TBB梯度大值区附近,并且降水量大于25 mm的站点对应的TBB大部分在TBB小于−42℃区域。另外选取了青岛胶州(图9(a))和西王圈小学(图9(b))两个站点的TBB小时变化与小时降水量进行对比分析,可以看出降水量与TBB的确有很好的对应关系,两个站点降水均出现在TBB突降之后,并且降水出现时刻对应着TBB均低于−40℃,另外小时降水量大于20 mm的时刻对应的TBB皆低于−50℃,但并不是TBB越低降水量越大,并且当TBB开始上升时,降水趋于结束。

Figure 8. The distribution of TBB and the province’s precipitation stations at 20:00 on June 14th, 2016 (black dots represent stations with precipitation between 10 - 25 mm, blue dots represent stations with precipitation between 25 - 50 mm, and red dots represent precipitation with precipitation greater than 50 mm)

图8. 2016年6月14日19时和20时TBB与山东降水量站点分布(黑点代表降水量介于10~25 mm的站点,蓝点代表降水介于25~50 mm的站点,红点代表降水量大于50 mm的站点)

Figure 9. Jiaozhou (a) and Xiwanghuan Primary School (b) Correspondence diagram of precipitation (mm) and TBB (℃) during 16:00 on June 14th, 2016 to 01:00 on June 15th, 2016

图9. 2016年6月14日16时~15日01时胶州(a)和西王圈小学(b)降水量(mm)与TBB (℃)对应关系图

6. 结论

本文利用多普勒天气雷达、FNL、ECMWF及FY-2F静止卫星等数据,对发生在山东的一次短时强降水伴随风雹的强对流天气过程进行了分析,结果如下:

1) 本次过程为典型的冷涡槽前型强对流天气过程,在高空深厚冷涡及地面中尺度辐合抬升的大尺度背景下,配合上干下湿,强烈的垂直风切变,中层冷空气入侵等条件均为短时强降水的发展提供了有利的条件。

2) 雷达回波上具有回波悬垂,有界弱回波区,中气旋等显著特征,标志着此次对流风暴发展旺盛。回波层顶发展到14 km,垂直累积液态水含量偏高超过70 kg/m2,VIL密度大于5 g/m3,有利于冰雹的出现,同时回波接地又是短时强降水发生的典型标志。

3) FY-2F静止卫星的云顶黑体亮温(TBB)资料与强降水和总降水量有很好的负相关关系。并且降水一般发生在TBB突降之后,也即是TBB梯度大值区,同时降水发生时TBB必须降到低于−40℃以下,而大于25 mm的降水量,TBB需要降到−50℃以下。而当TBB直线上升后,降水趋于停止。

基金项目

山东省气象局气象科学技术研究项目青年专项(sdqd2017-06)资助。

文章引用: 宫明晓 , 马 艳 , 李 华 (2019) 青岛地区一次冷涡槽前强对流天气过程分析。 气候变化研究快报, 8, 688-697. doi: 10.12677/CCRL.2019.86075

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